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牛顿力学、狭义相对论和广义相对论,通俗的讲一下这些不通俗的事

2019-10-09来源:福建品牌网

牛顿,可以说是最为普罗大众所熟知的一位科学家了。因为人人都知道万有引力,而知道了万有引力,自然也就知道了牛顿。牛顿所创建的牛顿力学体系可以说是近代物理学的基石。然而,牛顿力学体系并不完美,甚至可以说并不是一种普遍的规律,其所描述的其实是一种普遍规律之中的一小部分特例,所以,之后便有了爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论,终于算是将力和运动的事情给说明白了。那么,什么是牛顿力学、狭义相对论以及广义相对论呢?这些是复杂而高大上的话题,不是一句两句,一天两天能够说清楚的。

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不过,我们普罗大众没有必要了解得那么深奥,我们只需要通俗的弄明白这些都是怎么回事就可以了。那咱们就来通俗的讲一下。首先,牛顿力学。牛顿力学告诉我们速度是叠加的。然后我们发现果然是这样。举例,一个人站在地上,从他的面前飞驰而过一辆火车,速度为每秒20米。火车上有一人奔跑,速度为每秒1米。此时在火车外站着的人看来,火车上奔跑者的移动速度为每秒21米。相对于观察者而言,火车和奔跑者的速度是叠加的。这没有问题。可是当速度逐渐加快的时候,问题就来了,比如光速。

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光速是恒定不变的,对任何参考系而言都不变。如果在火车上发射一道光束,那么无论对于火车上的人而言,还是对于火车下的人而言,光速都是每秒30万公里,并不会叠加火车的速度。只不过火车上的人和火车下的人的时间发生了变化,火车下面人的时间变慢了。也就是说牛顿力学只能够适用于低速运动,只是运动处于低速时的一种特例,无法适用于所有的运动。于是,爱因斯坦发明了狭义相对论。没有人知道光速为什么不变,所以爱因斯坦就在光速不变的前提下开始进行推导,结果发现,既然光速不变,那么在运动的过程中,物体的时间、质量等都会发生变化。

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于是就有了e=mc^2。于是我们也知道了,随着物体运动速度的加快,质量会越来越大,当有质量的物体接近光速的时候,质量将趋向于无穷大,所以任何有质量的物体都无法达到光速,所以光速为宇宙间物体运动的最快速度。那么何为广义相对论呢?爱因斯坦发明的狭义相对论有一个问题,那就是应用范围过于狭窄了,狭义相对论只能应用于惯性系之中,也就是只能够解释在没有引力情况下的运动。因为一旦有引力,就会出现一个加速度的问题,而狭义相对论无法处理这个问题。可问题是引力是客观存在的,必须设法解决。

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于是爱因斯坦在其中加入了一个自由下落的参考系。比如我们坐在一个集装箱中,从万米高空急速下落,此时我们就会在集装箱内悬浮起来,而我们悬浮的这个状态表面上看起来就和处于无引力场的空间中一样。所以爱因斯坦认为自由下落的参考系和无引力场的惯性系的物理特性是一样的。于是,我们可以给任何事物增加一个自由下落的参考系,增加完参考系,这个事物就变为了一个无引力场的惯性系,然后就可以运用狭义相对论进行解释了。而加入的自由下落参考系则是时空,所以在广义相对论中引力被描述为了时空的弯曲。

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